Master Universitario Oficial en Energas Renovales Ttulo del Proyecto: Diseo de un sistema elico en conexin a red Trabajo 2: Materia V Cdigo: T07_T10E

Nota :9

OBJETIVO El objetivo de este trabajo es realizar un estudio comparativo del recurso elico y el aprovechamiento de ste en dos localidades diferentes y con diferentes aerogeneradores. Para realizar el estudio debern elaborarse las rosas de los vientos, se tendr que apreciar tanto la velocidad como la frecuencia segn las direcciones, Se establecer la direccin ptima en la que situara el aerogenerador. La distribucin Weibull de velocidades.

DATOS CONOCIDOS Los datos proporcionados en el enunciado son los siguientes: Las localidades donde se realizaran los estudios son Navacerrada (Madrid) y Simancas (Valladolid) Los aerogeneradores considerados son Bornay 3000W y Bornay 6000W. Ambos aerogeneradores se colocaran a 30 metros de altura para las dos localizaciones y su funcin sera la venta de energa elctrica a la red principal.

RECURSO ELICO Como dato de partida se necesitan la velocidad y la frecuencia del viento en ambos localidades. Para ello se consulta el Atlas Elico del IDAE (http://atlaseolico.idae.es/). Los datos se presentan en las siguientes grficas.

Navacerrada (Madrid) Dir frecuencia % 7,58 3,59 2,33 3,62 5,39 6,25 8,17 5,96 5,85 5,53 4,52 3,14 4,26 9,61 13,4 10,82

Velocidad m/s 5,8 4,611 4,347 4,864 5,208 4,998 5,332 4,6 4,482 4,702 4,81 4,11 5,466 6,165 6,16 6,241

Potencia% 8,54 2,09 1,18 2,42 4,57 5 7,55 3,58 3,48 3,45 3,61 1,49 4,95 13,61 18,42 16,06

Weibull C m/s 6,443 5,109 4,748 5,247 5,776 5,619 5,998 5,235 5,102 5,253 5,331 4,556 5,98 6,893 6,869 7,05

Weibull K 2,287 2,188 2,009 2,06 2,171 2,111 2,238 2,302 2,131 2,222 1,831 1,913 1,788 2,213 2,366 2,269

N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW

Tabla 1. Grfica de frecuencia de direcciones, velocidad, porcentaje de potencias y Weibull para la localidad de Navacerrada.

Se puede sacar como conclusin de est grfica que la direccin ms probable es noroeste ya que la frecuencia indica que el viento sopla en esta direccin el 13,4% del tiempo. Tambin se puede ver que velocidad en esta direccin es una de las mximas. Por ello, esta direccin es la ptima para el aerogenerador. A continuacin se exponen las representaciones de las rosas de los vientos para la velocidad y la frecuencia en las 16 direcciones.

Grfica 1. Representacin de la frecuencia del viento para cada direccin mediante una rosa de los vientos.

Grfica 2. Representacin de la velocidad del viento para cada direccin mediante una rosa de los vientos.

Velocidad (m/s) Weibull C (m/s) Weibull K

MEDIA ANUAL 30m 60 m 3,78 4,96 4,26 5,54 2,201 2,137

80 m 5,38 6,01 2,072

100 m 5,66 6,34 2,008

Tabla 2. Grfica de las medias anuales de las magnitudes de la tabla anterior.

La variacin del viento en un emplazamiento tpico suele describirse utilizando la llamada Distribucin de Weibull. v (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Prob Weibull (%) 0,00 8,75 17,34 21,44 20,07 15,05 9,24 4,69 1,97 0,69 0,20 0,05 0,01 0,00 0,00 0,00

Tabla 3. Grfica de la probabilidad de Weibull para la velocidad.

A continuacin se muestra un grfica que en el que se muestra la distribucin de Weibull para la localidad de Navacerrada.Navacerrada - Distribucin de Weibull25

20

15

10

5

0 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Grfica 1. Distribucin de Weibull para Navacerrada

Simancas (Valladolid) Dir frecuencia % 3,53 6,52 17,97 8,57 4,12 2,53 2,38 3,72 4,93 5,23 8,38 11,72 10 4,46 3,27 2,69 Velocidad m/s 4,065 4,736 6,047 4,86 4,339 3,728 3,888 4,94 4,983 5,617 6,009 6,288 6,047 4,624 4,624 4,57 Weibull C m/s 4,537 5,487 6,723 5,365 4,909 4,263 4,409 5,658 5,633 6,413 6,888 7,235 7,028 5,207 5,152 5,091

Potencia% 1,52 4,4 19,3 5 2,29 1,03 1,04 2,87 3,78 7,01 12,97 18,18 14,17 2,72 1,91 1,8

Weibull K 1,904 2,139 2,607 2,35 1,878 1,725 1,758 2,046 2,034 1,766 1,862 2,135 2,141 2,023 2,043 1,768

N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW

Tabla 4. Grfica de frecuencia de direcciones, velocidad, porcentaje de potencias y Weibull para lalocalidad de Simancas.

En este caso la orientacin ptima es noreste ya que el 17,97% del tiempo el viento sopla en esta direccin y la velocidad para esta direccin tambin es una de las mximas.

A continuacin se exponen las representaciones de las rosas de los vientos para la velocidad y la frecuencia en las 16 direcciones.

Grfica 2. Representacin de la frecuencia del viento para cada direccin mediante una rosa de los vientos.

Grfica 3. Representacin de la velocidad del viento para cada direccin mediante una rosa de los vientos.

Velocidad (m/s) Weibull C (m/s) Weibull K

MEDIA ANUAL 30m 60 m 4,3 5,04 5,01 5,77 2,001 1,985

80 m 5,37 6,09 1,974

100 m 5,61 6,3 1,929

Tabla 5. Grfica de las medias anuales de las magnitudes de la tabla anterior.

La variacin del viento en un emplazamiento tpico suele describirse utilizando la llamada Distribucin de Weibull. Prob Weibull (%) 0,00 8,20 14,43 17,48 17,28 14,69 11,00 7,35 4,42 2,40 1,18 0,53 0,21 0,08 0,03 0,01

v (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tabla 6. Grfica de las probabilidades de Weibull para la velocidad.

A continuacin se muestra un grfica que en el que se muestra la distribucin de Weibull para la localidad de Simancas.

Grfica 4. Distribucin de Weibull para Simancas.

PRODUCCIN ENERGTICA A continuacin se presentan las grficas de potencia y las velocidades de arranque y de parada de los aerogeneradores obtenidas de la pgina web del fabricante (www.bornay.com). Bornay 3000

Grfica 5. Representacin de la curva de potencia para el aero Bornay 3000 obtenido de la pgina web del fabricante.

Velocidad de viento Para arranque Para potencia nominal Para frenado automtico Mxima velocidad de viento 3,5 m/s 12 m/s 14 m/s 60 m/s

Tabla 7. Velocidades del viento en diferentes situaciones para el aero Bornay 3000 obtenida de la pgina web del fabricante

Bornay 6000

Grfica 6. Representacin de la curva de potencia para el aero Bornay 6000 obtenido de la pgina web del fabricante.

Velocidad de viento Para arranque Para potencia nominal Para frenado automtico Mxima velocidad de viento 3,5 m/s 12 m/s 14 m/s 60 m/s

Tabla 8. Velocidades del viento en diferentes situaciones para el aero Bornay 6000 obtenida de la pgina web del fabricante

Para calcular la produccin anual de energa de un aerogenerador se usa la curva representada anteriormente. La produccin anual es el producto de la potencia

suministrada por cada velocidad multiplicada por la hora que el viento sopla a esa velocidad. Para hallar la produccin se debe conocer las horas promedio que el viento sopla a cada velocidad. Para ello se usa los valores de la grfica de distribucin de la velocidad. En la grfica se representa en el eje de las abscisas se representan las velocidades del viento y en el eje de las ordenadas la probabilidad o frecuencia con la que se da este tipo de viento. As por medio de una sencilla frmula se pueden calcular las horas en las que sopla cada viento, h: h = (f/100). 8760 Donde: f es la frecuencia con la que sopla el viento, denominada previamente probabilidad de Weibull. 8760 son las horas que tiene un ao El clculo de las horas se realiza por medio de una tabla as como la potencia anual, para cada uno de los aerogeneradores y situaciones. NAVACERRADA BORNAY 3000 v (m/s) Prob Weibull (%) horas (h) Potencia (W) 0 0,00 0 0 1 8,75 766,5 0 2 17,34 1518,984 0 3 21,44 1878,144 230 4 20,07 1758,132 490 5 15,05 1318,38 530 6 9,24 809,424 1050 7 4,69 410,844 1450 8 1,97 172,572 1900 9 0,69 60,444 230 10 0,20 17,52 2800 11 0,05 4,38 2700 12 0,01 0,876 2900

P anual (kWh) 0 0 0 431,97312 861,48468 698,7414 849,8952 595,7238 327,8868 13,90212 49,056 11,826 2,5404

13 14 15

0,00 0,00 0,00

0 0 0

3200 3400 3200

0 0 0 3843,02952

Tabla 9. Clculo de la potencia anual para el aero Bornay 3000 en Navacerrada.

NAVACERRADA BORNAY 6000 v (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Prob Weibull (%) horas (h) 0 8,75 17,34 21,44 20,07 15,05 9,24 4,69 1,97 0,69 0,2 0,05 0,01 0 0 0 0 766,5 1518,984 1878,144 1758,132 1318,38 809,424 410,844 172,572 60,444 17,52 4,38 0,876 0 0 0 Potencia (W) 0 0 0 480 730 1400 1750 2300 3250 4300 4800 5400 5900 6100 6200 5900 P anual (kWh) 0 0 0 901,50912 1283,43636 1845,732 1416,492 944,9412 560,859 259,9092 84,096 23,652 5,1684 0 0 0 7325,79528

Tabla 10. Clculo de la potencia anual para el aero Bornay 6000 en Navacerrada.

v (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

SIMANCAS BORNAY 3000 Prob Weibull (%) horas (h) Potencia (W) 0,00 0 0 8,20 718,32 0 14,43 1264,068 0 17,48 1531,248 230 17,28 1513,728 490 14,69 1286,844 530 11,00 963,6 1050 7,35 643,86 1450 4,42 387,192 1900 2,40 210,24 230

P anual (kWh) 0 0 0 352,18704 741,72672 682,02732 1011,78 933,597 735,6648 48,3552

10 11 12 13 14 15

1,18 0,53 0,21 0,08 0,03 0,01

103,368 46,428 18,396 7,008 2,628 0,876

2800 2700 2900 3200 3400 3200

289,4304 125,3556 53,3484 22,4256 8,9352 2,8032 5007,63648

Tabla 11. Clculo de la potencia anual para el aero Bornay 3000 en Simancas.

v (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

SIMANCAS BORNAY 6000 Prob Weibull (%) horas (h) Potencia(W) 0 0 0 8,2 718,32 0 14,43 1264,068 0 17,48 1531,248 480 17,28 1513,728 730 14,69 1286,844 1400 11 963,6 1750 7,35 643,86 2300 4,42 387,192 3250 2,4 210,24 4300 1,18 103,368 4800 0,53 46,428 5400 0,21 18,396 5900 0,08 7,008 6100 0,03 2,628 6200 0,01 0,876 5900

P anual (kWh) 0 0 0 734,99904 1105,02144 1801,5816 1686,3 1480,878 1258,374 904,032 496,1664 250,7112 108,5364 42,7488 16,2936 5,1684 9890,81088

Tabla 12. Clculo de la potencia anual para el aero Bornay 6000 en Simancas.

FACTOR DE CARGA Con el fin de cuantificar la produccin anual se haya el factor de carga. Con esta magnitud se calcula el nmero de horas equivalentes de funcionamiento a mxima potencia del aerogenerador al cabo del ao. El factor de carga, FC, se calcula dividiendo la energa anual del aerogenerador entre la potencia nominal de ste. FC = Ea / P (kWh/kW)

Primero se deben conocer las potencias nominales de los aerogeneradores: . Bornay 3000 -> P3000 = 3kW .Bornay 6000 -> P6000 = 6kW Por otro lado del factor de carga tambin se puede expresar en %, FC (%). Se divide el factor de carga por el nmero horas que tiene un ao, 8760. FC (%) = (FC / 8760) . 100 El valor de las magnitudes anteriores se va a calcular y presentar por medio de una tabla:

FC (kWh/kW) Navacerrada Bornay3000 Navacerrada Bornay6000 Simancas-Bornay3000 SimancasBornay6000Tabla 13. Clculo del factor de carga.

FC (%) 14,62 13,93 28,86 18,82

1281,01 1220,96 1669,21 1648,47

ESTUDIO ECONMICO Normativa tarifaria La funcin de la instalacin sera la venta de energa elctrica a la red principal, luego el primer paso es conocer la legislacin relacionada. El RD 661/07 regula la actividad de produccin de energa elctrica en rgimen especial. Esta norma clasifica en grupos y subgrupos todas las instalaciones. La instalacin con la que se trabaja estara incluida dentro del subgrupo b.2.1. Instalaciones elicas ubicadas en la tierra. El Real Decreto tambin especifica la tarifa regulada, esto es el valor al que la instalacin vendera la electricidad generada.

Los 20 primero aos el precio sera de 7,3228c/kWh y a partir de entonces 6,12c/kWh.

Estimacin del coste de la instalacin

El siguiente paso es la estimacin del precio que costara la instalacin. En esta estimacin se van a usar los valores descritos por el libro de texto, esto es, la distribucin de los costes de inversin, de explotacin y mantenimiento del parque elico. Es este caso se va a tener en cuenta que la instalacin va a tener un solo aerogenerador por los que los costes de explotacin y de mantenimiento sern mnimos.

La distribucin de los costes va a ser la siguiente: . Aerogeneradores 74% . Equipo elctrico, conexin a red 12 % . Obra civil 9% . Otros 5% -> dentro de esta categora se va a considerar tanto los sistemas de control como los costes burocrticos y licencias como los, anteriormente mencionados, costes de explotacin y mantenimiento. De la pgina del fabricante se han obtenido los precios de los aerogeneradores: Bornay 3000-6000 y Bornay 6000-10000. Otro valor a tener en cuenta son las subvenciones, se considera que stas supondran el 30% del proyecto. Con una simple regla de 3 se transforman los porcentajes en precios y se presentan por medio de una tabla. Porcentaje sobre coste % Aerogeneradores 74 Equipo elctrico, conexin a red 12 Obra civil 9 Otros 5 TOTAL COSTE 100 Subvencin 30 BORNAY 3000 6000 972,97 729,73 405,41 8108,11 2432,43 BORNAY 6000 10000 1621,62 1216,22 675,68 13513,51 4054,05

TOTAL PROYECTO ()Tabla 14. Clculo de los costes del proyecto.

5675,68

9459,46

Amortizacin de la instalacin El fin de este apartado es calcular el nmero de aos que se necesitaran para amortizar el coste de la instalacin por medio de la venta de la energa. Para ello debe tenerse en cuenta la produccin de energa y el valor de venta de sta a la red. Los valores van a ser calculados por medio de una tabla.

Produccin kWh Tarifa de venta c/kWh Beneficio /ao Coste total del proyecto Periodo de Amortizacin (aos)

NAVACERRADA BORNAY BORNAY 3000 6000 3843,03 7325,80 7,32 7,32 281,42 536,45 5675,68 9459,46 20,17 17,63

SIMANCAS BORNAY BORNAY 3000 6000 5007,64 9890,81 7,32 7,32 366,70 724,28 5675,68 9459,46 15,48 13,06

Tabla 14. Clculo del periodo de amortizacin.

En la tabla podemos observar como se amortizara la instalacin de todos los aerogeneradores en su periodo de vida, 25 aos.

El siguiente paso es calcular el beneficio que se obtendra de la venta de la electricidad producida tras amortizar el proyecto. Este paso tambin se va a realizar por medio de una tabla. NAVACERRADA BORNAY BORNAY 3000 6000 20,17 17,63 4,83 7,37 281,42 536,45 1359,76 3951,87 SIMANCAS BORNAY BORNAY 3000 6000 15,48 13,06 9,52 11,94 366,70 724,28 3491,80 8647,65

Periodo de Amortizacin (aos) Aos restantes de vida Beneficio /ao Beneficio hasta fin periodo de vida

Tabla 15. Clculo del beneficio de la instalacin hasta el fin de su periodo de vida, 25 aos.

CONCLUSIONES

Si se hace un anlisis punto por punto del proyecto se pueden sacar las siguientes conclusiones: .A partir de las rosas de los vientos podemos ver como el recurso elico en la localidad de Simancas por lo que la produccin de un mismo aerogenerador ser mayor en este lugar. .Las caractersticas tcnicas de los aerogeneradores indican que la potencia de Bornay 6000 es doble que la de Bornay 3000. Por esta razn la produccin tambin ser mayor. . La mayor produccin de aerogenerador Bornay 6000 puede verse claramente en el clculo de la potencia anual. .Por ltimo los clculos sealan que el periodo de amortizacin de aerogenerador Bornay 6000 en Simancas es el menor de 13,06 aos. .La configuracin ptima para este proyecto sera usar un aerogenerador Bornay 6000 en la localidad de Simancas.

BIBLIOGRAFA . Libro de texto Materia V. Energa Elica Atlas Elico del IDAE http://atlaseolico.idae.es/ .Caractersticas tcnicas aerogenerador Bornay 3000http://www.bornay.com/eolica/es/aerogeneradores/4/modelos/17/bornay-3000/3 .Caractersticas tcnicas aerogenerador Bornay 6000http://www.bornay.com/eolica/es/aerogeneradores/4/modelos/17/bornay-6000/4/specs . Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de produccin de energa elctrica en rgimen especial. http://www.boe.es/aeboe/consultas/bases_datos/doc.php?id=BOE-A-2007-10556